DE2151200A1 - Process for the production of a pattern of depressions in the surface of a solid body - Google Patents
Process for the production of a pattern of depressions in the surface of a solid bodyInfo
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Description
Western Electric Company Incorporated Schmidt 4-14 New YorkWestern Electric Company Incorporated Schmidt 4-14 New York
Verfahren zur Herstellung eines Musters aus Vertiefungen in der Oberfläche eines festen KörpersProcess for the production of a pattern of depressions in the surface of a solid body
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Musters aus Vertiefungen in der Oberfläche eines festen Körpers, bei dem ein Teil der Oberfläche mit einer Mustermaske abgedeckt und mittels eines Abtragemittels Material vom freibleibenden Teil der Oberfläche abgetragen wird. Solche Muster werden beispielsweise in die Oberflächen von magnetischen Speichereinheiten hoher Dichte und anderen miniaturisierten elektromagnetischen Signalverarbeitungsvorrichtungen eingearbeitet. The invention relates to a method for producing a pattern from depressions in the surface of a solid body, in which part of the surface is covered with a pattern mask and material is removed from the remaining part of the surface by means of an abrasive. Such patterns are machined into the surfaces of high density magnetic storage devices and other miniaturized electromagnetic signal processing devices, for example.
Das Xtzen von Mustern in feste Oberflächen ist auf dem Gebiet der miniaturisierten elektromagnetischen Signalverarbeitungsvorrichtungen von tragender Bedeutung geworden. Auf dom Gebiet der integrierten Schaltungen müssen mit hoher Genauigkeit Muster in abgeechiedene Schichten aus Isoliermaterialien und metallischen Materialien eingeätzt werden. Dies geschieht hauptsächlich durch Verwendung von fotolithographisch hergestellten Masken und chemischen Ätzmitteln. Wenn die gewünschte The etching of patterns into solid surfaces has become vital in the field of miniaturized electromagnetic signal processing devices. In dom field of integrated circuits must be etched with high precision pattern in abgeechiedene layers of insulating and metallic materials. This is mainly done through the use of photolithographically produced masks and chemical etchants. If the desired
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Packungsdichte der Schaltungselemente 5.mmer größer wird, zeigen sich die dieser Verfahrensweise anhaftenden Schwierigkeiten. Chemische Ätzmittel haben das Bestreben die fotolithographischen Masken zu hinterschneiden, so daß die Abmessungen unbestimmt werden und irreguläre Kanten entstehen. Wenn die Breitenabmessungen der hergestellten Muster so dünn wie die Schichtdicke werden, begrenzen diese Schwierigkeiten eine weitere Miniaturisierung. Zusätzlich zu diesen mechanischen Erwägungen treten bei chemischen Ätzmitteln Probleme bezüglich der chemischen Verträglichkeit mit den verschiedenen vorhandenen Materialien und der Entfernung der Reaktionspx'odukte auf.As the packing density of the circuit elements becomes greater and greater, the difficulties inherent in this procedure become apparent. Chemical etchants tend to undercut the photolithographic masks so that the dimensions become indeterminate and irregular edges arise. When the width dimensions of the manufactured patterns become as thin as the layer thickness, these difficulties limit further miniaturization. In addition to these mechanical considerations, chemical etchants have problems with chemical compatibility with the various materials present and removal of the reaction products.
Ein Teil der chemischen Probleme kann durch sin verschiedentlich als Zerstäubungsätzung und Ruckserstäubung bekanntes Verfahren vermieden werden. Bei diesem Verfahren wird der zu ätzende Bauteil in eine ein Gas, z.B. Argon, niedrigen Drucks enthaltende Kammer eingesetzt. In der Kammer wird ein Plasma erzeugt und positive Ionen aus dem Plasma werden zum Auftreffen auf die Bauteiloberfläche veranlaßt; wodurch physikalisch das gewünschte Material abgetragen wird. Wenn die Vorrichtung ein Leiter ist, wird das Plasma dadurch erzeugt, daß zunächst eine Spannung von einigen tausen Volt zwischen dem Bauteil und einer Anodenelektrode angelegt wird. Dann wird ein Elektronenstrahlerzeuger zur Ionisierung eines Teils der Gasatome und zur Auslösung einer Plasmaentladung verwendet. Wenn der Bauteil ein Isolator ist, wird das Plasma durch ein starkes in der KammerPart of the chemical problems can be through sin variously process known as sputter etching and sputtering be avoided. In this process, the component to be etched is immersed in a gas, e.g. argon, containing a low pressure Chamber used. A plasma is generated in the chamber and positive ions from the plasma are used to impinge caused on the component surface; whereby the desired material is physically removed. When the device is a Conductor, the plasma is generated by first applying a voltage of a few thousand volts between the component and a Anode electrode is applied. Then an electron gun is used to ionize some of the gas atoms and trigger them a plasma discharge is used. If the component is an insulator, the plasma is strong in the chamber
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erzeugtes Hochfrequenzfeld erzeugt. Bei diesem Verfahren, das keine chemischen Schwierik^geiten macht, werden die dem Abtragoder Xtzvorgang ausgesetzten Bauteile erwärmt. Diese Erwärmung ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die auftreffenden Ionen ein breites Energiespektrum haben. Die niederenergetischen Ionen erwärmen den Bauteil ohne Material abzutragen. Hinzu kommt, daß die Ionen im Plasma mehrfach gestreut werden, bevor sie auf die Oberfläche auftreffen, so daß sie unter einer großen Anzahl verschiedener Winkel auf die Oberfläche auftreffen, wodurch die Genauigkeit der Erzeugung des Ätzmusters begrenzt wird.generated high frequency field generated. In this process, which does not cause any chemical difficulties, the ablation or Components exposed to the etching process are heated. This warming is due to the fact that the hitting Ions have a wide energy spectrum. The low-energy ions heat the component without removing any material. In addition, the ions in the plasma are scattered several times before they hit the surface, so that they are under a large number of different angles impinge on the surface, thereby limiting the accuracy of the generation of the etching pattern will.
Es wurde gefunden, daß Dünnschichtmuster hoher Qualität in extrem kleinem Maßstab durch die Verwendung eines in seiner Energie gesteuerten Strahles von auf - 5 Grad parallel gehaltenen Ionen in Verbindung mit bekannten Maskierverfahren erzeugt werden können. Muster mit Streifen von Breiten weniger als 1 um konnten auf diese Weise zuverlSssig und reproduzierbar hergestellt werden. Ein solcher kleiner Maßstab erlaubt beispielsweise die Herstellung von (einwandige) magnetische Domänen verwendenden Speichervorrichtungen und von logischenIt has been found that high quality thin film patterns in extremely small scale through the use of an energy controlled beam of -5 degrees kept parallel Ions can be generated in conjunction with known masking methods. Pattern with stripes of width less than 1 µm could be produced reliably and reproducibly in this way. Such a small scale allows for example the manufacture of storage devices using (single-walled) magnetic domains and of logical
6 2 Vorrichtungen mit einer bit-Dichte von 1,55 χ 10 bits/cm ·6 2 devices with a bit density of 1.55 χ 10 bits / cm
Bei diesem Verfahren wird ein bis auf - 5 Grad paralleler Strahl von Ionen in einer Ionenkanone erzeugt, in der die Ionen durch eine starke Gleichspannung beschleunigt werden. Die Größe dieser Spannung kann unter Berücksichtigung desIn this method, a down to - 5 degrees generated parallel beam of ions in an ion gun in which the ions are accelerated by a strong DC voltage. The magnitude of this stress can be taken into account
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speziellen zu bearbeitenden Materials auf die gewünschte Materialabtraggröße eingestellt werden. Der austretende Ionenstrahl ist im wesentlichen frei von niederenergetischen Ionen, welche das Bestreben haben den Bauteil ohne Abtragung von Material zu erwärmen· Die Ionen niedrigster Energie besitzen dabei Energien die etwa gleich der Beschleunigungsspannung sind, während mei|hfach ionisierte Ionen ein Mehrfaches dieser Energie besitzen.special material to be processed to the desired material removal size can be set. The exiting ion beam is essentially free of low-energy ions, which strive to heat the component without removing material · The ions have the lowest energy energies that are roughly equal to the acceleration voltage, while ions that are ionized several times are a multiple of this Own energy.
Der Ionenstrahl wird auf dem zu ätzenden Bauteil innerhalb einer Vakuumkammer zum Auftreffen gebracht. Der Druck in derThe ion beam is on the component to be etched within brought to impingement in a vacuum chamber. The pressure in the
_2 Kammer wird hinreichend niedrig gehalten (niedriger als 10 Torr), so daß Ionenstreuung nur in minimalem Ausmaß auftritt, und die Ionen unter dem vorbestimmten Winkel auf der Oberfläche auftreffen. Der Bauteil kann dabei auf einer Tragvorrichtung aufgesetzt werden, die relativ zum einfallenden Ionenstrahl gedreht, verschoben und in der Winkelstellung eingestellt werden kann. Dieses Verfahren ist im wesentlichen unabhängig ψ von der Zusammensetzung des zu ätzenden Bauteils, obwohl die Beschleunigungsspannung und der Auftreffwinkel auf die gewünschte Abtragungsrate und Musterschärfe eingestellt werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Leiter, Isolierkörper oder zusammengesetzte Körper bearbeitet werden, die aus dünnen leitenden oder nichtleitenden, auf leitenden oder nichtleitenden Substraten abgeschiedenen Schichten bestehen. Das gewünschte Muster kann durch fotolithograph!sehe Maskierverfahren oder durch abnehmbare Masken begrenzt werden.The chamber is kept sufficiently low (less than 10 torr) that ion scattering occurs to a minimum and the ions strike the surface at the predetermined angle. The component can be placed on a support device that can be rotated, shifted and angularly adjusted relative to the incident ion beam. This method is essentially the although the acceleration voltage and the angle of incidence can be adjusted to the desired removal rate and patterns sharpness independent of the composition of ψ to be etched component. With the method according to the invention, conductors, insulating bodies or composite bodies can be processed which consist of thin conductive or non-conductive layers deposited on conductive or non-conductive substrates. The desired pattern can be limited by photolithographic masking processes or by removable masks.
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Die Zeichnung zeigt eine Schnittansicht eines Bauteils, der durch Ionenbeschuß geätzt wird, wobei er auf einer drehbaren Tragvorrichtung aufgesetzt ist.The drawing shows a sectional view of a component which is etched by ion bombardment, wherein it is on a rotatable Carrying device is attached.
lonenstrahlbeschußion beam bombardment
Die Zeichnungsfigur zeigt einen Bauteil, während er geätzt wird. Der Ionenstrahl 11 trifft auf den Bauteil 12 und die Mustermaske 15 unter dem vorgewählten Winkel 10 auf. Der Bauteil ist auf einer Tragvorrichtung 13 aufgesetzt, die verschiebbar und um eine senkrecht zur Bauteiloberfläche an der Auftreffstelle des Ionenstrahls verlaufende Achse 14 drehbar ausgebildet ist. Der Bauteil 12 ist zu Erläuterungszwecken als auf einem keramischen Substrat 17 aufgebrachte metallische Schicht 16 dargestellt. Das erfindungsgemäße Ätzverfahren kann jedoch auch bei einstückigen festen Körpern beliebiger Zusammensetzung oder bei Zusammengesetzen festen Körpern jeder beliebigen Zusammensetzungskombination verwendet werden. Das Substrat 17 kann als vorübergehende Trägerplatte für einen abziehbaren schichtförmigen Bauteil 16 dienen.The drawing shows a component while it is being etched. The ion beam 11 strikes the component 12 and the pattern mask 15 at the preselected angle 10. The component is placed on a support device 13 which is designed to be displaceable and rotatable about an axis 14 running perpendicular to the component surface at the point of impact of the ion beam. For explanatory purposes, the component 12 is shown as a metallic layer 16 applied to a ceramic substrate 17 . The etching process according to the invention can, however, also be used with one-piece solid bodies of any desired composition or with assemblies of solid bodies of any desired combination of compositions. The substrate 17 can serve as a temporary carrier plate for a removable layered component 16.
Die Schnelligkeit der Materialabfcragung durch die Ionen des Ionenstrahls verändert sich in Abhängigkeit einer Reihe von Paktoren. Da die Materialabtragung hauptsächlich durch Übertragung des Impulses von den Ionen auf die Atome der Oberfläche und nicht durch Erwärmung der Oberfläche über die Verdampfung stemperatur erfolgt, muß die BeschleunigungsspannungThe rapidity of the M a terialabfcragung by the ions of the ion beam changes depending on a number of Paktoren. Since the material is removed mainly by transferring the momentum from the ions to the atoms of the surface and not by heating the surface via the evaporation temperature, the acceleration voltage must
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der Ionenkanone hinreichend groß sein, damit jedes Ion die Bindungsenergie des getroffenen Atoms überwindet. Bei Erhöhung der Beschleunigungsspannung wird die mittlere Anzahl von durch auftreffende Ionen verdrängten Oberflächenatomen vergrößert. Übermäßig hohe Beschleunigungspotentiale können zu kristallinen Beschädigungen unterhalb der Oberfläche führen, welche die Leistung bestimmter Typen von Bauteilen verschlechtern. Die speziellen Spannungen, die als zu niedrig oder zu hoch anzu-. sehen sind, hängen natürlich von dem speziellen zu ätzenden Material ab. Unter Berücksichtigung des im vorstehenden Ausgeführten sind Spannungen unterhalb von 1000 Volt oder oberhalb von 75 ooo Volt üblicherweise nicht brauchbar. Die beste Eignung und Steuerung der Materialabtragungsrate wird üblicherweise bei Verwendung von Beschleunigungsspannungen zwischen 2500 und 15 000 Volt erzielt.of the ion cannon must be large enough for each ion to have the Binding energy of the hit atom overcomes. When the accelerating voltage is increased, the mean number of impacting ions displaced surface atoms enlarged. Excessively high acceleration potentials can lead to crystalline damage below the surface, which the Degrade the performance of certain types of components. The special tensions that are viewed as too low or too high. are of course dependent on the particular material to be etched. Taking into account the above voltages below 1000 volts or above 75,000 volts are usually not usable. The best Suitability and control of the rate of material removal is usually achieved when using accelerating voltages between 2500 and 15,000 volts achieved.
Der (in der Figur mit 10 bezeichnete) Auftreffwinkel beeinflußt ebenfalls den Verdrängungskoeffizienten. Winkel zwischen r 10 und 45 Grad führen üblicherweise zu größeren Verdrängungskoeffizienten und zu geringeren unter der Oberfläche gelegenen Beschädigungen als Winkel die näher an 90 Grad liegen. Einen Auftreffwinkel von 90 Grad hat jedoch üblicherweise bessere Kantenbegrenzungen zur Folge.The angle of incidence (denoted by 10 in the figure) also influences the displacement coefficient. Angles between r 10 and 45 degrees usually lead to larger displacement coefficients and less damage below the surface than angles closer to 90 degrees. However, an angle of incidence of 90 degrees usually results in better edge delimitation.
Ein weiterer den Verdrängungskoeffizienten beeinflussender Faktor ist die verwendete Ionenart. Da der Verdrängungsprozeß hauptsächlich auf Impulsübertragung beruht, haben Ionen größerer Masse im allgemeinen größere Verdrängungskoeffizienten alsAnother factor influencing the displacement coefficient is the type of ion used. Because the repression process is mainly due to momentum transfer, ions of greater mass generally have larger displacement coefficients than
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Ionen geringerer Masse der gleichen Energie, Bei Raumtemperatur in Gasform vorliegende lonenarten sind für die Verwendung besonders geeignet, obgleich die Verwendung anderer lonenarten, welche die Verwendung von dampferzeugenden Heizvorrichtungen erfordern, für besondere Zwecke ebenfalls denkbar sind. Von den in Gasform vorliegenden Arten sind die Edelgase He, Ne, Ar, Kr und Xe besonders vorteilhaft, weil sie keine chemische Reaktion mit dem zu ätzenden Bauteil eingehen und nach dem Auftreffen leicht aus dem System wieder entfernt werden können. Dabei findet Argon bevorzugt Verwendung. Dabei ist es jedoch auch eindeutig möglich reagierende Gase bei diesem Verfahren zu verwenden. Mit Vorteil wurde zum Beispiel die Verwendung von Sauerstoff erprobt.Ions of lesser mass of the same energy, at room temperature Ion species present in gaseous form are particular for use suitable, although the use of other types of ions, which requires the use of steam generating heaters require, are also conceivable for special purposes. The noble gases He, Ne, Ar, Kr and Xe are particularly advantageous because they do not enter into any chemical reaction with the component to be etched and after they hit can easily be removed from the system again. Argon is preferred for this. It is there, however It is also clearly possible to use reactive gases in this process. For example, the use of tested by oxygen.
Das im größten Umfang verwendete Maskierverfahren auf dem Gebiet der Mikrominiaturbauteile ist das fotolithographische Verfahren. Bei diesem Verfahren wird die zu ätzende Oberfläche mit einer Polymerschicht abgedeckt. Teile der Schicht werden durch Belichtung mit Licht zur Vernetzung gebracht, und die unvernetzten Abschnitte werden anschließend während des Entwicklung sSchrittes abgewaschen. Ein zusätzlicher Schritt, der bisweilen in der Foto1ithographie in Verbindung mit chemischen Ätzmitteln angewandt wird, der jedoch in Verbindung mit dem vorliegenden Ionenstrahlverfahren von besonderem Vorteil ist, ist ein Vorbrennvorgang. Bei diesem Vorbrennvorgang wird die Polymerschicht erwärmt, um sie auszuhärten, indem beispiels-The most widely used masking method in the field of micro-miniature components is the photolithographic one Procedure. In this process, the surface to be etched is covered with a polymer layer. Become parts of the shift crosslinked by exposure to light, and the uncrosslinked sections are subsequently processed during development sStep washed off. An additional step that sometimes in photo-lithography in connection with chemical Etchant is used, which is particularly advantageous in connection with the present ion beam process, is a pre-burning process. During this pre-firing process, the polymer layer is heated in order to cure it by, for example,
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weise jedes nach dem Entwicklungsschritt noch vorhandene Wasser ausgetrieben wird. Bei der Wahl der Dicke des zu verwendenden fotolithographischen Polymers muß berücksichtigt werden, daß während des Ionenbeschusses das Maskiermaterial in etwa der gleichen Menge wie das Mat erial der freiliegenden Oberfläche entfernt wird. DepFachmann wird eine solche Dicke der Polymerschicht wählen, daß das Polymer nicht verschwunden ist, bevor die Oberfläche auf die gewünschte Tiefe geätzt ist. wisely, any water still present after the development step is expelled. When choosing the thickness of the photolithographic polymer to be used, it must be taken into account that the masking material is removed in approximately the same amount as the material of the exposed surface during the ion bombardment. A person skilled in the art will choose such a thickness for the polymer layer that the polymer will not have disappeared before the surface has been etched to the desired depth.
Für den Fachmann ist weiter ersichtiübh, daß die Bearbeitung bestimmter Arten von Bauteilen die Verwendung von abnehmbaren Masken, z.B. Masken aus Metallfolien, erfordert. Dies kann beispielsweise notwendig sein, wenn die Oberfläche mit den fotolithographischen Chemikalien nicht verträglich ist. Die Verwendung von abnehmbaren Masken führt zu einem vollständig trockenen Verfahren mit einem Minimum an Handhabungsaufwand.For the person skilled in the art it is further apparent that the processing certain types of components require the use of removable masks, e.g. masks made of metal foils. This can be necessary, for example, if the surface is incompatible with the photolithographic chemicals. the Use of removable masks results in a completely dry process with a minimum of handling.
Das beschriebene Verfahren ist nahezu universell anwendbar. So kann es bei jedem Material, welches durch die Größe des in der Beschußkammer erforderlichen Vakuums nicht verschlechtert wird, verwendet werden. Das Verfahren kann zum Einätzen von Vertiefungen in kristallinen oder amorphen Isolierkörpern, Halbleitern oder Metalle oder zur Herstellung von durchgehenden Öffnungen oder Löchern in dünnen Körpern aus diesen Materialien verwendet werden. Muster aus solchen Vertiefungen inThe method described can be used almost universally . It can be used with any material which is not impaired by the size of the vacuum required in the bombardment chamber. The method can be used for etching recesses in crystalline or amorphous insulating bodies, semiconductors or metals or for producing through openings or holes in thin bodies made of these materials. Patterns from such depressions in
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Isolierkörpern oder Halbleitern sind beispielsweise für die nachfolgende Metal!abscheidung bei Vorrichtungen mit "versenkten Leitern" erforderlich. Gegenwärtig findet das Verfahren die größte Anwendung zum Einarbeiten von Mustern in dünne abgeschiedene Schichten. Diese Muster auf halbleitenden Substraten werden in großem Umfang bei monolitischen Mikrominiaturschaltungen verwendet. Muster aus Halbleitern und magnetischen Metallen auf Substraten aus Isoliermaterial werden beispielsweise bei (einwandige) magnetische Domänen verwendenden Speichervorrichtungen und SignalVerarbeitungsvorrichtungen verwendet. Tantal-Dünnfilme auf Glas und keramischen Substraten werden in integrierten Schaltungen verwendet,Insulating bodies or semiconductors are, for example, countersunk for the subsequent metal deposition in devices with " Ladders "required. Currently, the method is most widely used for working patterns into thin deposited layers. These patterns on semiconducting substrates are used extensively in micro-miniature monolithic circuits used. Patterns of semiconductors and magnetic metals on substrates made of insulating material are used, for example, in storage devices and signal processing devices using (single-walled) magnetic domains. Tantalum thin films on glass and ceramic Substrates are used in integrated circuits,
Für die Verwendung in magnetischen Speichern wurden Muster aus Permalloy auf Glassubstraten als Deckschichten für Schieberegister von mit magnetischen Domänen arbeitenden Speichervorrichtungen erzeugt. Ein solches Schieberegister-Muster hat eine Periodizität von 7,5 um und besteht im Prinzip aus Streifen von 0,8 um Breite, die aus einer Schicht von 0,6 um Dicke hergestellt sind. Ein 1000-bit-Schieberegister wurde hergestellt, dessen Gesamtabmessungen 2,5 χ 10 cm im Quadrat betragen. Die bit-Dichte dieses Schieberegisters liegt bei 1,55 χ 10 bit/cm . Dies wurde bei Verwendung fotolithographischer Maskierung einschließlich des Vorbrennschritts erreicht. Der Ionenbeschuß wurde unter einem Winkel von 30 Grad bei einem Beschleunigungspotential von 7000 Volt vorgenommen.For use in magnetic memories, permalloy patterns on glass substrates were used as cover layers for shift registers generated by magnetic domain storage devices. Has such a shift register pattern has a periodicity of 7.5 µm and consists principally of stripes 0.8 µm wide made from a layer 0.6 µm thick. A 1000-bit shift register was made, whose overall dimensions are 2.5 χ 10 cm square. The bit density of this shift register is included 1.55 10 bit / cm. This became when using photolithographic Masking including the prebake step achieved. The ion bombardment was at a 30 degree angle made at an acceleration potential of 7000 volts.
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